基于硫同位素組分比的煤田火區(qū)探測方法

王雁鳴 歐陽林昊 張國銳等

摘要：地下煤田火區(qū)的高效準確圈定是火區(qū)治理的前提。已提出多種煤火探測方法，其中作為地球化學(xué)探測的一種，同位素測氡已進行了現(xiàn)場應(yīng)用。但因氡氣并非煤層燃燒直接裂解釋放，該方法的火區(qū)圈定精度受到限制。為了發(fā)揮同位素探測方法的優(yōu)勢，本文根據(jù)煤自燃過程中同位素分餾效應(yīng)，探討了基于同位素硫異常的煤火探測方法，并提出了技術(shù)路線。

關(guān)鍵詞：煤田火災(zāi)；地球化學(xué)探測；硫同位素分餾

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.067

煤田火區(qū)在世界主要產(chǎn)煤國均普遍存在，煤田火災(zāi)在直接燒毀大量不可再生煤炭資源的同時，也對生態(tài)環(huán)境造成很大的破壞，煤田火區(qū)的治理問題依然始終嚴峻。煤田火區(qū)由于存在地表之下，地表熱異常不明顯，因而具有隱蔽性很難發(fā)現(xiàn)。

為了有效治理煤田火區(qū)，火區(qū)的準確圈定是前提。目前煤田火區(qū)的探測方法多達數(shù)十種，其中，同位素測氡法原理是利用高溫影響下煤層及其圍巖中天然放射性氡析出率增大的特性，通過在地表探測氡的濃度變化，從而圈定火區(qū)位置。該方法操作簡單、精度高、成本低、且抗干擾能力強。但是，氡元素存在于煤層及其圍巖中，并非煤層燃燒的直接產(chǎn)物，地?zé)嶙饔脮箮r層中氡氣的釋放量增大，造成測量結(jié)果誤差。

已有研究結(jié)果表明，雖然不同地區(qū)煤層的含硫量差距很大，但是在煤燃燒過程中，均會出現(xiàn)硫的同位素分餾現(xiàn)象，即煤燃燒釋放出來氣體中硫同位素組份，相對原煤有輕³⁴S的現(xiàn)象，此種現(xiàn)象為通過硫同位素分餾現(xiàn)象探測煤田火區(qū)提供了理論基礎(chǔ)。相對于測氡方法，硫的氧化物為煤燃燒直接生成產(chǎn)物，對于探測煤田火區(qū)更具優(yōu)勢。

1硫同位素分餾效應(yīng)機理

硫是地殼中第14位最豐富的元素，其中，硫在煤中普遍存在，含量一般在0.1～10%，存在形式分別為有機硫、硫鐵礦硫和硫酸鹽硫三種，按照國家有關(guān)規(guī)定，當(dāng)煤中含硫量超過3%時，即為高硫煤。在自然界中，硫總共有4種穩(wěn)定同位素，分別為：³²S、³³S、³⁴S、³⁶S，其豐度分別為95.02%、0.75%、4.21%、0.02%?？梢娫谧匀唤缰?，³²S的含量最大。

硫的同位素分餾在自然界中非常常見，主要是由物理、化學(xué)和生物作用引起的熱力學(xué)和動力學(xué)同位素分餾，幾乎都是與質(zhì)量相關(guān)的分餾。凡事遵循Hulston研究的質(zhì)量分餾定律（式子1）的均為質(zhì)量分餾效應(yīng)。長期以來，大多學(xué)者均認為自然界的硫同位素分餾均與質(zhì)量相關(guān)，不存在非質(zhì)量分餾的情況，但是目前已經(jīng)在隕石、南極冰芯、太古代沉積物中發(fā)現(xiàn)硫的非質(zhì)量分餾現(xiàn)象。本文研究的煤田火區(qū)硫化物氣體中的分餾現(xiàn)象為與質(zhì)量相關(guān)的分餾效應(yīng)，符合Hulston分餾定律。

3硫同位素探火技術(shù)路線

依據(jù)煤燃燒后硫同位素分餾效應(yīng)探測煤田火區(qū)方法步驟與測氡大致相似，所不同的是，測氡可通過測氡儀直接測量測點的氡氣含量與濃度，而由于同位素質(zhì)譜儀目前沒有便攜式設(shè)備，需要采用集氣袋將現(xiàn)場采集的氣體在實驗室由同位素質(zhì)譜儀測量計算δ³⁴S值，并與煤樣中的δ³⁴S值做對比分析，從而圈定煤田火區(qū)。為了更有效的采集地下燃煤生成的氣體，設(shè)計了便攜式氣體采集裝置。裝置由上部的空心圓柱體和底端的實心圓錐體組成，并在圓柱體上部焊接把手，以助于向地下鉆孔，圓柱體頂部設(shè)計有若干抽氣孔，用于抽取地表下放氣體，在圓柱體頂部設(shè)計接口連接集氣袋。根據(jù)上述研究，建立根據(jù)燃煤分餾效應(yīng)探測煤田火區(qū)的技術(shù)路線：火區(qū)現(xiàn)場測線測點規(guī)劃→使用便攜式氣體采集裝置進行氣體采集→對比SO₂中的δ³⁴S值與原煤的δ³⁴S值→圈定煤田火區(qū)。

4結(jié)束語

根據(jù)燃煤的同位素分餾效應(yīng)進行煤田火區(qū)的探測，探測媒介硫的氧化物氣體為煤燃燒直接產(chǎn)物，相比于探測煤燃燒產(chǎn)生的間接產(chǎn)物，更加直接高效。目前本研究已在實驗室條件下驗證了此方法的有效性，未來將在現(xiàn)場進行實測研究，更大的發(fā)揮此方法的優(yōu)越性。